波音發(fā)布高超聲速飛機(jī)概念

■ 成磊

今年以來，波音公司陸續(xù)發(fā)布了偵察/打擊型和載客型的高超聲速飛機(jī)概念，引發(fā)人們對(duì)高超聲速飛機(jī)及動(dòng)力技術(shù)發(fā)展的關(guān)注。出于保密的原因，波音公司沒有透露更多的細(xì)節(jié)，只表示高超聲速飛機(jī)的渦輪基沖壓組合發(fā)動(dòng)機(jī)（TBCC）技術(shù)已取得了相應(yīng)的進(jìn)展，為下一步開展技術(shù)驗(yàn)證鋪平了道路。

波音公司展示的偵察/打擊型高超聲速飛機(jī)概念模型

波音公司在發(fā)布的高超聲速客機(jī)概念

偵察/打擊型高超聲速飛機(jī)概念

今年1月，波音公司在2018美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)科技大會(huì)（AIAA SciTech 2018）上，公開展示了一個(gè)偵察/打擊型高超聲速飛機(jī)模型，這是繼2013年洛克希德-馬?。羼R）公司公布SR-72高超聲速飛機(jī)概念之后，美國(guó)又一高超聲速飛機(jī)概念的高調(diào)亮相。

從此次展示的模型看，波音偵察/打擊型高超聲速飛機(jī)采用大后掠雙三角翼加雙垂尾布局，機(jī)身有明顯的隆起脊背，機(jī)腹平坦，兩側(cè)有大后掠邊條。據(jù)專業(yè)人士分析，此設(shè)計(jì)既可以在高超聲速飛行時(shí)獲得乘波升力，又可以在起飛降落等低速飛行時(shí)依靠前部邊條產(chǎn)生的渦流獲得渦升力。機(jī)體隆起的脊背可提高機(jī)身容量，為任務(wù)載荷、燃料等留有充足空間。

截至目前，波音公司未透露其高超聲速飛機(jī)的具體指標(biāo)，只表示飛行速度達(dá)到Ma5+，并特別強(qiáng)調(diào)了飛發(fā)一體化設(shè)計(jì)技術(shù)在其開展高超聲速飛機(jī)概念研究中的重要性。

波音公司的高超聲速飛機(jī)擬采用渦輪基沖壓組合（TBCC）發(fā)動(dòng)機(jī)，包含常規(guī)渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)和雙模態(tài)亞燃／超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)（TMRJ），二者共用進(jìn)氣道和尾噴管。

波音公司在2014年和2016年分別獲得美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（DARPA）“先進(jìn)全狀態(tài)發(fā)動(dòng)機(jī)”（AFRE）項(xiàng)目和美國(guó)空軍TBCC飛行驗(yàn)證機(jī)概念研究項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。其動(dòng)力系統(tǒng)的合作伙伴是諾斯羅普-格魯門（諾格）創(chuàng)新系統(tǒng)公司（原軌道ATK公司）。波音此次發(fā)布的軍用型高超聲速飛機(jī)概念模型應(yīng)為這些項(xiàng)目的研究成果。

波音公司計(jì)劃先研制一款F-16戰(zhàn)斗機(jī)大小、采用單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的驗(yàn)證機(jī)，主要用于飛行試驗(yàn)；然后再推出一款SR-71偵察機(jī)大小、采用兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的作戰(zhàn)飛機(jī)。波音公司計(jì)劃在21世紀(jì)20年代末期完成型號(hào)研制，使之成為SR-71“黑鳥”偵察機(jī)的后繼機(jī)。

高超聲速客機(jī)概念

今年6月，在2018美國(guó)航空航天學(xué)會(huì)航空大會(huì)（AIAA Aviation 2018）上，波音公司公布了一個(gè)高超聲速客機(jī)概念，將由波音研究與技術(shù)部（BR&T）攜手波音民機(jī)集團(tuán)（BCA）共同開展高超聲速客機(jī)研究，并對(duì)初始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）。此次公布的高超聲速飛機(jī)概念只是其多個(gè)高超聲速飛機(jī)設(shè)計(jì)方案中的一個(gè)。

據(jù)稱，波音的高超聲速客機(jī)的載客能力比現(xiàn)有的遠(yuǎn)程公務(wù)機(jī)要大，但比波音737要小。波音的高超聲速客機(jī)將以Ma5速度巡航，是2003年退役的英法合作研制的“協(xié)和”號(hào)超聲速客機(jī)的2倍，橫跨大西洋的時(shí)間約為2h，橫跨太平洋的時(shí)間約為3h；巡航高度為29000m (95000ft)，比“協(xié)和”號(hào)高了9100m(30000ft)。

擬采用渦輪沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)

波音此次公布的高超聲速客機(jī)方案選擇了Ma5作為其巡航速度。Ma5被認(rèn)為是選擇亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)與超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的分界線：當(dāng)速度低于Ma5時(shí)，采用亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)；而當(dāng)速度高于Ma5時(shí)，采用超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)。亞燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)難度明顯小于超燃沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)，因此波音公司的高超聲速客機(jī)最終選擇了Ma5作為巡航速度。

與GE公司和普惠公司研發(fā)的三涵道自適應(yīng)軍用發(fā)動(dòng)機(jī)類似，波音公司的高超聲速飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)只有一個(gè)進(jìn)氣道和一個(gè)尾噴管，并采用軸對(duì)稱的環(huán)形布局將渦輪組件包裹在其中，即在渦輪組件的外側(cè)，設(shè)計(jì)一個(gè)旁路進(jìn)氣道，可直接將旁路空氣導(dǎo)入位于發(fā)動(dòng)機(jī)后部的沖壓燃燒室，而不必流經(jīng)渦輪組件。

在隨飛機(jī)高速飛行時(shí)，該發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)有渦輪組件功能全部關(guān)閉與部分關(guān)閉兩種狀態(tài)。據(jù)推測(cè)，因?yàn)闆_壓發(fā)動(dòng)機(jī)適合工作在Ma3以上，因此其全部關(guān)閉狀態(tài)應(yīng)該出現(xiàn)在Ma3～5飛行速度的時(shí)刻。一般認(rèn)為，渦輪組件與沖壓組件的臨界轉(zhuǎn)換速度為Ma2～3，而在該速度段，兩種動(dòng)力形式都處于低效率狀態(tài)。因此，將渦輪組件功能部分關(guān)閉，采用兩種動(dòng)力形式共同工作，可達(dá)到最佳組合工作效率。

擬采用“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷熱交換技術(shù)

先進(jìn)的冷卻技術(shù)對(duì)于控制飛機(jī)系統(tǒng)、客艙和動(dòng)力裝置的熱環(huán)境非常重要。波音公司擬采用英國(guó)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)（Reaction Engines）公司正在研制的“協(xié)同吸氣式火箭發(fā)動(dòng)機(jī)”（SABRE）—— 亦稱作“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)——的預(yù)冷熱交換技術(shù)。今年4月波音通過戰(zhàn)略投資成為反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司的股東。

“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷熱交換器

英國(guó)反應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)公司成立于1989年，專注于“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的研制。據(jù)稱，“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷熱交換器是一種結(jié)構(gòu)緊湊和質(zhì)量超輕的裝置，僅用0.05s的時(shí)間可將來流溫度從1000℃降至 -150℃。

預(yù)冷熱交換器位于高超聲速進(jìn)氣道和渦輪壓氣機(jī)之間。當(dāng)空氣進(jìn)入進(jìn)氣道時(shí)通過一個(gè)激波系，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能。氣流通過預(yù)冷器后，會(huì)沿軸向流動(dòng)進(jìn)入壓氣機(jī)。“佩刀”發(fā)動(dòng)機(jī)的預(yù)冷器由數(shù)千個(gè)直徑很小的管道按螺旋狀排列組成，據(jù)稱此設(shè)計(jì)可以使熱交換效率達(dá)到95%左右。

波音公司還計(jì)劃用液態(tài)甲烷作為冷卻系統(tǒng)的組成部分，同時(shí)考慮采用液態(tài)甲烷與常規(guī)航空燃油(Jet A)的雙燃料體系。甲烷的優(yōu)點(diǎn)是既可以用作冷卻劑又可以用作燃料，而且甲烷的熱值比Jet A高，但其密度低，要付出體積代價(jià)。因此波音還需要研究?jī)烧咧g的最佳配比。

結(jié)束語

從波音公布的信息看，波音的高超聲飛機(jī)體現(xiàn)了軍民融合發(fā)展的理念，在氣動(dòng)構(gòu)型、動(dòng)力裝置的選擇等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域都盡可能采用相同的設(shè)計(jì)和技術(shù)，并用同一款驗(yàn)證機(jī)來驗(yàn)證二者的共性技術(shù)。考慮到在取證過程中可能存在的一系列問題，波音的高超聲速客機(jī)可在未來二三十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)載客飛行。相比較而言，軍用型高超聲速飛機(jī)投入服役的時(shí)間會(huì)早一點(diǎn)，但取決與洛馬公司之間的競(jìng)爭(zhēng)。畢竟，洛馬公司的高超聲速概念SR-72的提出要比波音早了5年，波音是否能后來居上，有待時(shí)間檢驗(yàn)。